張麗杰，裴智勇，馬 躍，陳禹保，4△

(1.北京市計(jì)算中心 100094；2.云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 100094；3.北京小湯山醫(yī)院 102211；4.北京市測(cè)序與功能分析工程技術(shù)研究中心 100094)

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·論 著·

2型糖尿病易感基因代謝通路生物信息學(xué)研究*

張麗杰1，2，裴智勇1，2，馬 躍3，陳禹保1，2，4△

(1.北京市計(jì)算中心 100094；2.云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 100094；3.北京小湯山醫(yī)院 102211；4.北京市測(cè)序與功能分析工程技術(shù)研究中心 100094)

目的 構(gòu)建中國(guó)人群中2型糖尿病易感基因的代謝通路。方法 采用2型糖尿病的易感基因集合，基于商用數(shù)據(jù)庫(kù)Ingenutiy Pathway Analysis(后簡(jiǎn)稱IPA)中的Right-Tailed Fisher′s Exact Test算法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找到與糖尿病相關(guān)的代謝通路，并從中篩選出15個(gè)與中國(guó)人群糖尿病相關(guān)的易感基因，根據(jù)易感基因建立代謝通路，探討中國(guó)人群易感基因之間在生物學(xué)上的關(guān)聯(lián)關(guān)系。結(jié)果 KCNQ1、PPARG、IRS1、ADIPOQ等基因位于多條代謝通路的節(jié)點(diǎn)位置，與多條代謝通路相關(guān)。結(jié)論 KCNQ1、PPARG、IRS1、ADIPOQ等基因在中國(guó)人群2型糖尿病的發(fā)生過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用。該研究結(jié)果對(duì)基于代謝通路研究復(fù)雜性疾病具有很好的借鑒意義。

2型糖尿病； 易感基因； 代謝通路

2型糖尿病是1種多基因遺傳性疾病，一般認(rèn)為，其發(fā)生有多源性，是環(huán)境因素和遺傳因素共同作用的結(jié)果[1-2]。群體遺傳分析表明，單個(gè)易感基因位點(diǎn)對(duì)患者的表型僅具有微效作用，只有多個(gè)位點(diǎn)協(xié)同作用才顯著影響人群糖代謝表型[3-5]。已鑒定的GWAS信號(hào)多數(shù)定位于非編碼區(qū)域(或調(diào)控區(qū)域)，可能通過(guò)影響易感基因的表達(dá)調(diào)控過(guò)程導(dǎo)致差異[6]。在細(xì)胞內(nèi)，基因或蛋白質(zhì)通常彼此相互作用形成復(fù)合物或共同參與某些通路，而非單獨(dú)作用發(fā)揮生物學(xué)功能[7]。2型糖尿病作為復(fù)雜疾病，通常認(rèn)為為多種因素共同作用的結(jié)果。已經(jīng)證實(shí)TCF7L2是2型糖尿病的易感基因之一，它一方面參與胰腺beta細(xì)胞的功能發(fā)揮；另一方面，作為1個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，它也參與Wnt/beta-catenin信號(hào)通路中[8]。目前，多數(shù)易感位點(diǎn)的功能及代謝通路機(jī)制仍不明確，因此，建立易感基因通路模型，探討易感基因的治病過(guò)程，是后期糖尿病研究的核心之一。

1 資料與方法

1.1 一般資料 2型糖尿病的易感基因集主要來(lái)自3個(gè)方面。PharmGKB數(shù)據(jù)庫(kù)(網(wǎng)址為https://www.pharmgkb.org)[9]，該數(shù)據(jù)庫(kù)能夠顯示與文獻(xiàn)、通路表征、試驗(yàn)方案信息整合的基因型、分子和臨床原始數(shù)據(jù)，筆者從該數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索到與2型糖尿病直接相關(guān)的基因信息和通路信息。Ingenuity Pathway Analysis(后簡(jiǎn)稱IPA)商用數(shù)據(jù)庫(kù)(網(wǎng)址為http://www.ingenuity.com)，為現(xiàn)有的最大的基因、蛋白及通路注釋、研究互作效應(yīng)的生物學(xué)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。A Catalog of Published Genome-Wide Association Studies公開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)(網(wǎng)址：http://www.genome.gov/gwastudies)[10]，可從已發(fā)表的基因組范圍關(guān)聯(lián)研究中，調(diào)查與形狀/疾病有關(guān)的單核苷酸多態(tài)性基因組特征。

1.2 方法

1.2.1 易感基因信息整理 通過(guò)上述的3種數(shù)據(jù)源共得到371個(gè)基因與2型糖尿病之間存在直接或間接的關(guān)聯(lián)關(guān)系，見(jiàn)表1(見(jiàn)《國(guó)際檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志》網(wǎng)站主頁(yè)“論文附件”)。這些易感基因的相關(guān)報(bào)道研究主要集中在歐洲、亞洲和拉丁美洲，通過(guò)試驗(yàn)得到驗(yàn)證的易感基因位點(diǎn)數(shù)目超過(guò)200個(gè)，且涉及變異位點(diǎn)、效應(yīng)大小、致病機(jī)制與關(guān)聯(lián)性各不相同[11-13]。

1.2.2 通路信息整理 將步驟1.2.1中整理到的糖尿病易感基因輸入IPA中，查找易感基因所對(duì)應(yīng)的代謝通路信息，最終將371個(gè)基因映射于226條代謝通路。見(jiàn)表2(見(jiàn)《國(guó)際檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志》網(wǎng)站主頁(yè)“論文附件”)。

1.2.3 構(gòu)建中國(guó)人群中糖尿病易感基因代謝通路 采用IPA中的Core Analysis方法將371個(gè)基因按照代謝通路進(jìn)行分類，采用Right-Tailed Fisher′s Exact Test 算法進(jìn)行顯著性分析，查找這些基因中與中國(guó)人群糖尿病相關(guān)的易感基因，及已在中國(guó)人群中得到驗(yàn)證糖尿病易感基因。篩選出15個(gè)易感基因與中國(guó)人群2型糖尿病相關(guān)，包括ADIPOQ、CDH13、CDKN2B、GLIS3、GRB14、HHEX、HNF1A、IRS1、KCNQ1、PAX4、PEPD、PPARG、RASGRP1、SLC30A8、TCF7L2[14-33]。將中國(guó)人群2型糖尿病易感基因作為輸入基因，于IPA中構(gòu)建基因?qū)?yīng)的代謝通路，觀察易感基因在代謝通路過(guò)程中的關(guān)聯(lián)性。

2 結(jié) 果

2.1 糖尿病易感基因集代謝通路分析 為將糖尿病易感基因集進(jìn)行代謝通路富集分析，筆者將371個(gè)易感基因數(shù)據(jù)上傳于IPA中，并將其映射到對(duì)應(yīng)生物學(xué)通路中進(jìn)行代謝通路分析。最終得到了9個(gè)與2型糖尿病顯著相關(guān)的代謝通路(P<0.05)，見(jiàn)表3。其中，糖尿病易感基因集對(duì)應(yīng)代謝通路中顯著性最高為MODY Signaling信號(hào)通路，表明糖尿病的發(fā)生可能最先影響(最易受影響)的是MODY Signaling信號(hào)通路。影響顯著的通路還包括G-Protein Coupled Receptor Signaling和Insulin Receptor Signaling信號(hào)通路等。從相關(guān)信號(hào)通路中發(fā)現(xiàn)，有些信號(hào)通路不僅和糖尿病相關(guān)，同時(shí)還與精神分裂等其他疾病相關(guān)[34]。

表3 糖尿病易感基因集生物通路

表4 中國(guó)人群中易感基因生物通路分布

2.2 中國(guó)人群中糖尿病易感基因通路分布 將中人群中與糖尿病相關(guān)易感基因進(jìn)行通路分析，15個(gè)基因中有9個(gè)基因(ADIPOQ、CDH13、CDKN2B、GRB14、HNF1A、IRS1、PPARG、RASGRP1、TCF7L2)與代謝通路相關(guān)，其余6個(gè)基因(PEPD、PAX4、KCNQ1、GLIS3、HHEX、SLC30A8)目前暫無(wú)代謝通路相關(guān)信息。見(jiàn)表4。

圖1 中國(guó)人群中易感基因通路分析圖

2.3 中國(guó)人群糖尿病易感基因通路關(guān)聯(lián)分析 從步驟2.2中分析可見(jiàn)，從中國(guó)人群15個(gè)易感基因中，有6個(gè)易感基因目前暫未發(fā)現(xiàn)代謝通路相關(guān)信息。為分析其與已有代謝通路易感基因間的相互關(guān)系，筆者采用IPA對(duì)中國(guó)人群15個(gè)糖尿病易感基因進(jìn)行代謝通路分析，確定易感基因間是否在生物代謝過(guò)程中存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過(guò)IPA的Core Analysis模塊分析，獲得代謝通路圖，見(jiàn)圖1(圖中實(shí)線代表直接關(guān)聯(lián)關(guān)系，虛線代表間接關(guān)聯(lián)關(guān)系)。其中，PPARG、IRS1、ADIPOQ等基因與其他的基因和通路間存在復(fù)雜關(guān)聯(lián)，處于生物通路的節(jié)點(diǎn)位置，并與胰島素的合成及AMPK等代謝通路之間存在直接或間接關(guān)系。雖然KCNQ1基因所在生物學(xué)通路暫無(wú)相關(guān)試驗(yàn)證明，但從通路圖中可見(jiàn)，KCNQ1基因也與胰島素合成存在關(guān)聯(lián)。

3 討 論

本研究采用生物信息學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了糖尿病中易感基因的代謝通路。搜集和整理目前與糖尿病相關(guān)易感基因(共找到371個(gè)基因)，從中篩選出15個(gè)與中國(guó)人群糖尿病相關(guān)易感基因，確定其中有9個(gè)基因存在代謝通路相關(guān)信息。為分析15個(gè)易感基因間在代謝通路方面是否存在關(guān)聯(lián)，成功構(gòu)建中國(guó)人群易感基因的代謝通路圖，并從中發(fā)現(xiàn)PPARG、KCNQ1、IRS1、ADIPOQ等基因間存在復(fù)雜的代謝通路相關(guān)性(如PPARG與AMPK信號(hào)通路、胰島素合成、ERK等信號(hào)通路均存在直接或間接的關(guān)系)。該結(jié)果對(duì)于基于通路分析方法破譯疾病中各種基因的協(xié)調(diào)和功能作用提供了借鑒和指導(dǎo)。此外，筆者所構(gòu)建的通路相互作用網(wǎng)絡(luò)提示許多糖尿病易感基因參與不同的代謝通路，且具有多效性，其編碼蛋白可能是治療多種復(fù)雜疾病的候選藥物靶點(diǎn)。

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Metabolic pathways research of susceptibility genes of diabetes by bioinformatics*

ZHANGLijie1,2,PEIZhiyong1,2,MAYue3,CHENYubao1,2,4△

(1.BeijingComputingCenter,Beijing100094,China;2.KeyTechnologiesCloudComputingandKeyApplicationLaboratoryBeijingCity,Beijing100094,China;3.XiaotangshanHospital,Beijing102211,China;4.BeijingSequencingandFunctionalAnalysisEngineeringTechnologyResearchCenter,Beijing100094,China)

Objective To build a complicated metabolic pathway based on susceptibility genes in China and to explore the biological relationship in Chinese susceptibility genes.Methods By a set of susceptibility genes in type 2 diabetes and based on Right-Tailed Fisher′s Exact Test algorithm of Ingenutiy Pathway Analysis(IPA),diabetes-related metabolic pathways were founded.And 15 susceptibility genes which related to Chinese diabetes had been screened out.Based on these susceptibility genes a complex metabolic pathway had been built to explore the relationship between biological susceptibility genes in the Chinese population.Results KCNQ1,PPARG,IRS1 and ADIPOQ genes were located more than one biological pathway node positions,and the genes were related with a plurality of metabolic pathways.Conclusion KCNQ1,PPARG,IRS1 and ADIPOQ genes play a vital role in the occurrence of type 2 diabetes in Chinese people.The result is a good reference for research on complex diseases based on metabolic pathways.

type 2 diabetes; susceptibility genes; metabolic pathway

北科院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(IG201406C1)；北京市計(jì)算中心萌芽計(jì)劃項(xiàng)目;北京市優(yōu)秀人才青年骨干項(xiàng)目(2015400685627G238)。

張麗杰，男，生物信息工程師，主要從事慢性疾病生物信息學(xué)方面的研究。

△通訊作者，E-mail：chenyb@bcc.ac.cn。

10.3969/j.issn.1673-4130.2016.21.017

A

1673-4130(2016)21-2996-04

2016-03-15

2016-05-28)